大面积微通道板光电倍增管读出系统集成研究

After a successful R&D in China, the large area MCP-PMT will take place the dynode PMT as a key detector element in the large high energy physics and cosmic ray physics experiment thanks to its fast response, large linear dynamic range, while the readout electronics research is still ongoing. The MCP-PMT output signal is very large which is a large challenge due to it’s difficult to realize by commercial chips. The project proposes a readout electronics system integrated to backend of MCP-PMT. An ASIC will be specially designed to receive signal from MCP-PMT. The signal will be converted by 1GSps ADC which timed by FPGA which controls data transmission with Ethernet protocol. Lots of analysis can be realized based on achieved signal details, which makes large area MCP-PMT application and research easier. It will average up the large physics experiment method and promote the development of fundamental physics in China.

国内大面积微通道板光电倍增管（MCP-PMT）刚研制成功，因其响应速度快，线性动态范围大等性能特点将取代打拿极光电倍增管成为大型高能物理宇宙线物理实验探测器的关键探测器件，而针对大面积MCP-PMT的读出电子学系统也刚刚进入研究阶段。MCP-PMT输出信号输出能力很大，普通商用电子器件很难满足要求，这对读出电子学提出挑战。本项目提出研究一款能够直接集成在MCP-PMT后端的读出电子学系统，通过设计一款针对大面积MCP-PMT信号读出的专用集成电路，在FPGA的控制下，通过1GSps ADC 分量程进行高速波形采样，并通过以太网实现数据传输。该系统最大程度获得了MCP-PMT完整的输出信号，并提供在FPGA中实现各种需求算法的可能性，能够为大面积MCP-PMT的后续应用及研究提供很大方便，提高高能物理宇宙线物理的实验水平，促进基础物理研究的发展。

随着国内大面积微通道板光电倍增管（MCP-PMT）的研发成功，MCP-PMT被广泛应用于大型高能物理试验中。大尺寸MCP-PMT作为新型大型物理实验光电器件，信号大，速度快，对传统读出电子学系统提出挑战。项目对国产20英寸MCP-PMT的输出信号进行了研究，根据信号特点，设计了一款MCP-PMT信号读出的专用集成电路，将PMT信号分量程，并通过使用ADC芯片对波形进行采样，采样率1GSPS，通过FPGA实现数据的获取，处理，传输。项目完成了一台样机设计，并实现与MCP-PMT连接测试。PMT在1*10^7增益下，读出系统的单光子能量分辨小于10%，在4000个光电子范围内，线性良好，达到了项目提出的目标。项目研究的专用集成电路芯片及读出系统方案，被应用在高海拔宇宙线试验站和江门中微子实验的读出系统设计中。本项目的研究，为更真实的获取物理实验高速信号打下基础。前端芯片的研究成功，实现了关键器件的国产化，高速采样方案为未来探测器信号读出提供借鉴，能广泛的应用于各类物理实验。